KR20170132921A

KR20170132921A - 교류전원의 rms 추정 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20170132921A
Application number: KR1020160063201A
Authority: KR
Inventors: 장희숭; 손기봉; 성현욱
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-05-24
Filing date: 2016-05-24
Publication date: 2017-12-05
Also published as: CN107422171A; US10330709B2; CN107422171B; US20170343588A1

Abstract

정류부에서 교류전원을 정류시키는 단계; 제어부에서 상기 정류된 교류전원을 기설정된 지연시간만큼 지연시켜 지연된 교류전원을 도출하는 단계; 및 제어부에서 상기 정류된 교류전원과 상기 지연된 교류전원을 이용하여 교류전원의 RMS를 추정하는 단계;를 포함하는 교류전원의 RMS 추정 방법이 소개된다.

Description

교류전원의 RMS 추정 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM OF RMS ESTIMATION FOR AC POWER SUPPLY}

본 발명은 RMS값을 이용하는 다양한 장치의 제어 효율성을 위하여 교류전원의 RMS(Root Mean Square)를 신속하고 정확하게 추정할 수 있는 교류전원의 RMS 추정 방법 및 시스템에 관한 것이다.

세계 곳곳에서 가정용 전자기기는 대부분 교류전원을 사용한다. 왜냐하면 교류전원이 직류전원보다 전력측면에서 효율이 훨씬 좋을 뿐만 아니라 사용자의 안전 측면에서도 더 좋기 때문이다. 따라서 현재 가정용 전자기기뿐만이 아니라 배터리를 제외한 대부분의 전기장치는 교류전원을 사용하고 있다.

특히 최근 각광을 받고 있는 친환경 자동차에는 하이브리드 자동차, 플러그인 하이브리드 자동차, 전기 자동차, 연료전지 자동차 등이 있는데, 이 중 플러그인 하이브리드 자동차와 전기 자동차 사용자는 가정용 전원을 사용하여 충전이 가능한 방식이며 상기 두 차량에는 차량탑재형 완속충전기가 탑재되어 있다.

이 차량탑재형 완속충전기는 차량의 고전압 배터리 충전을 위해 교류전원을 사용하는데, 교류전원을 사용하는 차량탑재형 완속충전기의 제어 및 보호고장을 위해 교류전원의 RMS값을 알아야 할 필요가 있다. 왜냐하면 이를 통하여 완속충전기가 교류전원의 이상전원 판단 및 출력 제한 등 다양한 기능을 구현할 수 있기 때문이다.

따라서 교류전원의 RMS값을 구하기 위하여 다양한 방법들이 제시되고 있는데, 공개특허공보 1999-000245 "위상제어된 교류 전류의 실효값 검출 장치 및 방법"에서도 다이리스터의 점화각을 제어하여 출력 전류량을 제어하는 제어장치에서 통전각에 따라 평균 전류치를 실효 전류값으로 변환하는 변환 방법을 제시하여 교류전원 RMS값 검출의 정확성을 향상시키는 방법을 기재하고 있다.

그러나 이에 따른다고 하더라도 기존의 RMS 추정 방법은 필터를 사용하여 리플값을 줄여 정류된 교류전원의 평균을 구하고, 평균의 스케일링을 통해 RMS값을 구하도록 하고 있다. 따라서 필터 사용으로 인해 응답성능이 느려지게 되어 빠른 응답성을 확보할 수 없다는 문제점이 존재하였다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 1999-000245 A

본 발명은 교류전원을 사용하는 장치의 제어 및 보호고장을 위하여 교류전원의 RMS값을 빠르고 정확하게 추정할 수 있는 교류전원의 RMS 추정 방법 및 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 교류전원의 RMS 추정 방법은 정류부에서 교류전원을 정류시키는 단계; 제어부에서 상기 정류된 교류전원을 기설정된 지연시간만큼 지연시켜 지연된 교류전원을 도출하는 단계; 및 제어부에서 상기 정류된 교류전원과 상기 지연된 교류전원을 이용하여 교류전원의 RMS를 추정하는 단계;를 포함한다.

상기 정류시키는 단계 이후에는, 제어부에서 상기 정류된 교류전원을 기설정된 상수만큼 스케일하는 단계;를 포함한다.

상기 지연된 교류전원을 도출하는 단계는, 제어부에서 상기 정류된 교류전원의 주파수를 도출하는 단계; 제어부에서 상기 주파수를 이용하여 지연시간을 도출하는 단계; 및 제어부에서 상기 정류된 교류전원을 상기 지연시간만큼 지연시켜 지연된 교류전원을 도출하는 단계;를 포함한다.

상기 지연시간을 도출하는 단계는 제어부에서 하기의 수식을 이용하여 지연시간을 도출하는 것을 특징으로 한다.

T_d = 1/(4*F_AC)

T_d: 지연시간, F_AC: 정류된 교류전원의 주파수

상기 교류전원의 RMS를 추정하는 단계는, 제어부에서 상기 지연된 교류전원과 상기 정류된 교류전원의 제곱을 도출하는 단계; 제어부에서 상기 지연된 교류전원과 상기 정류된 교류전원의 제곱을 승산하는 단계; 및 제어부에서 상기 승산한 결과값에 기설정된 변환상수를 승산하여 교류전원의 RMS를 추정하는 단계;를 포함한다.

상기 변환상수는 √2 인 것을 특징으로 한다.

상기 교류전원의 RMS를 추정하는 단계는 하기의 수식을 이용하여 제어부에서 교류전원의 RMS를 추정하는 것을 특징으로 한다.

V_RMS = √(2*(V_AC ²*(V_AC∠45°)²))

V_RMS: 교류전원 RMS 추정값, V_AC: 정류된 교류전원

본 발명에 따른 교류전원의 RMS 추정 시스템은 교류전원; 상기 교류전원을 정류시키는 정류부; 및 상기 정류된 교류전원을 기설정된 지연시간만큼 지연시켜 지연된 교류전원을 도출하고 상기 정류된 교류전원과 상기 지연된 교류전원을 이용하여 교류전원의 RMS를 추정하는 제어부;를 포함한다.

상기 제어부는, 하기의 수식을 이용하여 교류전원의 RMS를 추정하는 것을 특징으로 한다.

V_RMS = √(2*(V_AC ²*(V_AC∠45°)²))

V_RMS: 교류전원 RMS 추정값, V_AC: 정류된 교류전원

상술한 바와 같이 이용하면 아래와 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 종래 RMS 추정방법과 달리 필터를 사용하지 않으므로 필터에 의하여 RMS 추정 응답 시간이 지연되는 것을 방지할 수 있다.

둘째, 교류전원의 RMS를 빠르고 정확하게 추정할 수 있게 됨으로써 교류전원을 사용하는 전원장치의 효율성을 향상시킬 수 있는바, 특히 교류전원을 직류전원으로 변환하여 배터리등을 충전하는 충전장치에 있어, 충전시간 및 전비를 종래에 비래 월등히 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 교류전원 RMS 추정 방법의 순서도
도 2는 종래기술과 본 발명에 따른 교류전원 RMS 추정 방법 비교도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 종래기술과 본 발명의 RMS 추정 응답성 및 리플 비교 그래프
도4는 본 발명의 실시예에 따른 교류전원 RMS 추정 시스템의 구성도

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.

본 발명은 교류전원(10)의 RMS 즉, 실효값을 정확하게 추정하기 위한 방법으로 그 구체적인 순서는 도1에서 도시하고 있는바와 같이 정류부(20)에서 교류전원(10)을 정류시키는 단계(S10); 제어부(30)에서 상기 정류된 교류전원(10)의 주파수를 도출하는 단계(S20); 제어부(30)에서 상기 주파수를 이용하여 지연시간을 도출하는 단계(S30); 및 제어부(30)에서 상기 정류된 교류전원(10)을 상기 지연시간만큼 지연시켜 지연된 교류전원(10)을 도출하는 단계(S40);를 포함한다.

상기 교류전원(10) 정류단계(S10)는 다양한 방식을 통하여 정류가 가능한데 일반적으로 풀브릿지 또는 하프브릿지 형태의 회로를 이용하여 정류하는 방법을 고려해 볼 수 있을 것이다. 다만 본 발명에서는 교류전원(10) 정류단계(S10) 이후에 제어부(30)에서 상기 정류된 교류전원(10)을 기설정된 상수만큼 스케일하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서의 기설정된 상수는 교류전원(10) RMS 추정의 정밀성을 향상시키기 위함으로 정류된 교류전원(10)을 적절하게 변경시켜 교류전원(10)의 RMS를 용이하게 도출할 수 있도록 정류된 교류전원(10)의 크기를 변경해준다. 따라서 기설정된 상수는 설계자의 요구 또는 교류전원(10)의 값에 따라 다양한 값을 가질 수 있을 것이다.

정류된 교류전원(10) 주파수 도출단계(S20)는 교류전원(10) 정류단계(S10)를 통해 정류된 교류전원(10)의 주파수를 도출하게 되는데, 일반적으로 교류전원(10)이 정류되게 되면 주파수는 두 배가 되므로 정류이전 교류전원(10)의 주파수가 60Hz 였다면 정류된 교류전원(10)의 주파수는 120Hz가 될 것이다.

정류된 교류전원(10) 주파수 도출단계(S20) 이후에는, 도출한 정류된 교류전원(10)의 주파수를 이용하여 지연시간을 도출하는 지연시간 도출단계(S30)를 수행하게 된다. 여기서의 지연시간은 RMS를 추정하는 경우 시간에 따라 전압값이 변하는 교류전원(10)의 변화에 실시간으로 대응하지 못하는 점에 기인하여 발생하는 지연시간을 의미한다.

종래기술의 지연시간 발생원인 중 가장 큰 원인은 도2의 종래기술과 본 기술의 교류전원(10) RMS 추정 방법 비교도를 통해 알 수 있는데, 도2 (a)를 살펴보면 종래기술에서는 교류전원(10)의 RMS를 추정함에 있어 필터를 사용하는 것을 확인할 수 있다. 필터를 사용하게 되는 경우 필연적으로 필터의 시정수값만큼 응답시간이 지연되게 된다. 물론 시정수값은 필터를 구성하는 임피던스값들을 조정하여 최소화할 수 있으나, 시정값을 감소시키는 것은 필터의 성능을 하락시키는 원인이 되므로 설계자가 원하는 필터 성능을 유지하도록 하는 한도내에서 시정수값을 조정하여야 한다. 결국 시정수값의 조정을 통한 지연시간의 최소화도 더 이상 감소시킬 수 없는 한계가 존재하는 것이다. 반면에 도2 (b)에서 도시하고 있는 본 기술에 따를 경우 필터가 존재하지 않는다. 따라서 본 기술에 의할 경우 종래기술에 비해 필터에 의한 응답시간 지연이 발생하지 않는바, 교류전원(10)의 RMS 추정의 응답성이 향상될 수 있다. 뿐만 아니라 후술하겠지만 본 기술은 도2 (b)에 도시되어 있듯이 정류된 교류전원(10)을 스케일링 한 이후에 응답지연에 따른 지연시간을 보상하는 단계(도2 (b)의 스케일링 이후 교류전원(10) RMS가 도출되기 이전까지의 단계)를 두고 있는바 필터를 포함하고 지연시간을 보상하는 구성을 포함하지 않는 종래기술에 비해 RMS 추정의 응답성이 현저히 향상될 수 있음을 예측할 수 있다. 본 기술에 따른 RMS 추정 응답성의 향상은 후술하기로 하겠다.

지연시간 도출단계(S30)에서의 지연시간은 정류된 교류전원(10)의 주파수를 이용하여 도출하게 되는데, 구체적으로 하기의 수식을 이용하여 지연시간을 도출할 수 있을 것이다.

T_d = 1/(4*F_AC)

T_d: 지연시간, F_AC: 정류된 교류전원(10)의 주파수

이와 같은 방식으로 지연시간을 도출하였다면 도출된 지연시간을 이용하여 지연된 교류전원(10)을 도출하게 되는데, 이는 정류된 교류전원(10)을 도출된 지연시간만큼 지연시켜 도출할 수 있다. 즉, 정류된 교류전원(10)의 주파수가 F_AC라면 정류된 교류전원(10)의 주기는 1/F_AC일 것인바, 정류된 교류전원(10)은 1/F_AC의 주기를 가지는 교류전원(10)의 시간에 따른 전압 그래프에서 그래프를 도출된 지연시간만큼 시간축으로 이동시켜 지연된 교류전원(10)을 도출할 수 있을 것이다.

지연시간을 이용하여 지연된 교류전원(10)을 도출하였다면 도1에서 도시하고 있는 바와 같이 상기 정류된 교류전원(10)과 상기 지연된 교류전원(10)을 이용하여 교류전원(10)의 RMS를 추정하는 교류전원(10) RMS 추정단계(S50);를 수행하게 된다.

구체적으로 상기 교류전원(10) RMS 추정단계(S50)는 제어부(30)에서 상기 지연된 교류전원(10)과 상기 정류된 교류전원(10)의 제곱을 도출하는 단계; 제어부(30)에서 상기 지연된 교류전원(10)과 상기 정류된 교류전원(10)의 제곱을 승산하는 단계; 및 상기 승산한 결과값에 기설정된 변환상수를 승산하여 교류전원(10)의 RMS를 추정하는 단계;를 포함할 수 있는데, 앞서 언급한 바와 같이 도2 (b)에서 상기 단계를 간략하게 표시하고 있다.

구체적으로 도2 (b)에서 지연이라고 박스되어져 있는 제어단계는 지연된 교류전원(10)을 도출하는 단계로 보면 되며, y^2이라고 박스되어져 있는 제어단계는 지연된 교류전원(10)의 제곱을 도출하는 단계로 보면 되고, x^2이라고 박스되어져 있는 제어단계는 정류된 교류전원(10)의 제곱을 도출하는 단계로 보면 되며, X라고 박스되어져 있는 제어단계는 지연된 교류전원(10)과 정류된 교류전원(10)의 제곱을 승산하는 단계로 보면 되고, √2Z로 박스되어져 있는 제어단계는 기설정된 변환상수를 승산하여 교류전원(10)의 RMS를 추정하는 단계라고 보면 된다.

도2 (b)에 따를 경우 기설정된 변환상수는 √2라고 볼 수 있는데, 이는 일반적으로 교류전원(10) 최대값의 크기가 RMS의 √2배에 해당하기 때문이다. 다만 이는 일반적인 상용전원을 가정한 것이므로 이외에 특수한 형태의 교류전원(10)이라 한다면 그에 맞춰 변환상수값을 변경시킬 수 있을 것이다.

따라서 일반적인 경우의 본 기술의 실시에 따른 교류전원(10) RMS 추정값은 도2 (b)의 구성을 고려해 보았을 때 하기의 수식과 같이 표현할 수 있을 것이다.

V_RMS = √(2*(V_AC ²*(V_AC∠45°)²))

V_RMS: 교류전원(10) RMS 추정값, V_AC: 정류된 교류전원(10)

여기서 V_AC∠45°가 지연된 교류전원(10)을 의미하는 것으로 페이즈(phase)의 값이 45°인 이유는 앞서 지연시간을 1/(4*F_AC)로 도출하였기 때문이다. 만약 지연시간을 1/(2*F_AC)로 도출하였다면 페이즈 값은 90°가 될 것이다. 이는 설계자의 설계 방식에 따라 자유롭게 변경이 가능할 것이나 시뮬레이션 결과 RMS 추정에 있어 지연시간을 1/(4*F_AC)로 도출하는 것이 RMS 추정의 응답성 및 정밀성에 있어 가장 효과적인바 본 발명에서는 지연시간을 1/(4*F_AC)로 도출하였다.

본 발명에 따른 RMS 추정 방법의 응답성과 정밀성(리플)을 종래기술과 비교해보기 위해 도3을 참조해보면, 추정 응답성의 경우 발명기술(본 기술)이 종래기술에 비해 응답성이 현저히 우수함을 확인할 수 있다. 발명기술은 교류전원(10)이 인가됨과 거의 동시에 교류전원(10)의 RMS를 도출하였으나 종래기술은 발명기술에 비해 느린속도로 목표로 되는 교류전원(10)의 RMS에 도달함을 확인 할 수 있다.

뿐만 아니라 종래기술과 발명기술의 RMS 리플을 비교해 보면 정류된 교류전원(10) 그래프(도3 (b)의 위에 그래프)와 비교하였을 때 종래기술은 리플성분이 매우 큰 진폭변화를 가진다는 것을 확인할 수 있다. 반면에 발명기술은 리플성분이 거의 존재하지 않으므로 본 발명에 따를 경우 신뢰성 있는 RMS의 추정이 가능할 수 있음을 확인할 수 있다. 따라서 본 발명에 따를 경우 종래기술에 비해 RMS 추정의 응답성도 향상될 뿐만 아니라, 정밀성도 향상시킬 수 있음을 도3의 그래프를 통해 확인할 수 있다.

더불어 본 발명에 따른 교류전원(10)의 RMS 추정 시스템은 도4에서 도시하고 있는 바와 같이 교류전원(10); 상기 교류전원(10)을 정류시키는 정류부(20); 및 상기 정류된 교류전원(10)을 기설정된 지연시간만큼 지연시켜 지연된 교류전원(10)을 도출하고 상기 정류된 교류전원(10)과 상기 지연된 교류전원(10)을 이용하여 교류전원(10)의 RMS를 추정하는 제어부(30);를 포함하며, 상기 제어부(30)는 앞서 언급한 바와 같이 하기의 수식을 이용하여 교류전원(10)의 RMS를 추정할 수 있다.

V_RMS = √(2*(V_AC ²*(V_AC∠45°)²))

V_RMS: 교류전원(10) RMS 추정값, V_AC: 정류된 교류전원(10)

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

S10: 교류전원 정류단계 S20: 정류된 교류전원 주파수 도출단계
S30: 지연시간 도출단계 S40: 지연된 교류전원 도출단계
S50: 교류전원 RMS 추정단계 10: 교류전원
20: 정류부 30: 제어부

Claims

정류부에서 교류전원을 정류시키는 단계;
제어부에서 상기 정류된 교류전원을 기설정된 지연시간만큼 지연시켜 지연된 교류전원을 도출하는 단계; 및
제어부에서 상기 정류된 교류전원과 상기 지연된 교류전원을 이용하여 교류전원의 RMS를 추정하는 단계;를 포함하는 교류전원의 RMS 추정 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 정류시키는 단계 이후에는,
제어부에서 상기 정류된 교류전원을 기설정된 상수만큼 스케일하는 단계;를 포함하는 교류전원의 RMS 추정 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 지연된 교류전원을 도출하는 단계는,
제어부에서 상기 정류된 교류전원의 주파수를 도출하는 단계;
제어부에서 상기 주파수를 이용하여 지연시간을 도출하는 단계; 및
제어부에서 상기 정류된 교류전원을 상기 지연시간만큼 지연시켜 지연된 교류전원을 도출하는 단계;를 포함하는 교류전원의 RMS 추정 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 지연시간을 도출하는 단계는 제어부에서 하기의 수식을 이용하여 지연시간을 도출하는 것을 특징으로 하는 교류전원의 RMS 추정 방법.
T_d = 1/(4*F_AC)
T_d: 지연시간, F_AC: 정류된 교류전원의 주파수
청구항 4에 있어서,
상기 교류전원의 RMS를 추정하는 단계는,
제어부에서 상기 지연된 교류전원과 상기 정류된 교류전원의 제곱을 도출하는 단계;
제어부에서 상기 지연된 교류전원과 상기 정류된 교류전원의 제곱을 승산하는 단계; 및
제어부에서 상기 승산한 결과값에 기설정된 변환상수를 승산하여 교류전원의 RMS를 추정하는 단계;를 포함하는 교류전원의 RMS 추정 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 변환상수는 √2 인 것을 특징으로 하는 교류전원의 RMS 추정 방법
청구항 1에 있어서,
상기 교류전원의 RMS를 추정하는 단계는 하기의 수식을 이용하여 제어부에서 교류전원의 RMS를 추정하는 것을 특징으로 하는 교류전원의 RMS 추정 방법.
V_RMS = √(2*(V_AC ²*(V_AC∠45°)²))
V_RMS: 교류전원 RMS 추정값, V_AC: 정류된 교류전원
교류전원;
상기 교류전원을 정류시키는 정류부; 및
상기 정류된 교류전원을 기설정된 지연시간만큼 지연시켜 지연된 교류전원을 도출하고 상기 정류된 교류전원과 상기 지연된 교류전원을 이용하여 교류전원의 RMS를 추정하는 제어부;를 포함하는 교류전원의 RMS 추정 시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 제어부는,
하기의 수식을 이용하여 교류전원의 RMS를 추정하는 것을 특징으로 하는 교류전원의 RMS 추정 시스템.
V_RMS = √(2*(V_AC ²*(V_AC∠45°)²))
V_RMS: 교류전원 RMS 추정값, V_AC: 정류된 교류전원